Двигатель внутреннего сгорания: виды, принцип действия, преимущества и недостатки

Опубликовано автор LuxSpeed.ru

ДВС могут разделяться по нескольким категориям

По типу преобразования энергии:

  • турбинные;
  • поршневые;
  • реактивные;
  • комбинированные

По типу рабочего цикла:

  • с 2-мя тактами цикла;
  • с 4-мя тактами цикла

По типу топлива, которое используется:

  • на бензине;
  • на дизеле;
  • на газе

Устройство ДВС

ДВС имеет достаточно сложное устройство, которое может быть оснащено:

  • корпусом (блоком и головкой цилиндров);
  • рабочими механизмами (кривошипно-шатунным и газораспределительным);
  • различными системами (топливной, впускной, выпускной, смазки, зажигания, охлаждения и управления).

КШМ (кривошипно-шатунный механизм) обеспечивает движение возвратно-поступательного характера поршня и обратное вращательное движение вала.

Газораспределительный механизм предназначен для подачи топлива и воздуха в цилиндры, для вывода отработанной газовой смеси.

Топливная система предназначена для обеспечения автомобильного двигателя топливом.

Система впуска отвечает за своевременную подачу воздуха в ДВС, а система выпуска – за вывод отработанных газов, уменьшения уровня шума от работы цилиндров, а также снижения их токсичности.

Принцип работы ДВС

Двигатель работает на тепловой энергии газов, образующихся при сгорании используемого топлива, что в свою очередь запускает поршневое движение в цилиндре. ДВС работает циклически. Для того чтобы повторялся каждый последующий цикл, отработанная смесь удаляется, а в поршень поступает новая часть топлива и воздуха.

В современных моделях автомобилей используются двигатели, работающие на 4-х тактах. Работа такого двигателя основана на четырех равных по времени частях. Такт – это процесс, который осуществляется в цилиндре автомобильного двигателя за один рабочий ход (поднятие/опускание) поршня.

Поршень в цилиндре осуществляет четыре тактовых движения – два вверх и два вниз. Тактовое движение начинается с крайней точки (нижней или верхней) и проходит следующие этапы: впуск, сжатие, движение и выпуск.

Более детально рассмотрим особенности работы ДВС на каждом из тактов.

Такт впуска

Впуск начинается в крайней точке (МТ – мертвая точка). Не имеет значения, с какой точки начинается движение, с верхней МТ или нижней МТ. Начиная свое движение в цилиндре, поршень захватывает поступившую топливно-воздушную смесь при открытом клапане впуска. При этом ТВС может образовываться как во впускном коллекторе, так и в камере сгорания.

Такт сжатия

При сжатии клапаны впуска полностью закрыты, ТВС начинает сжиматься непосредственно в цилиндрах. Это происходит за счет обратного поршневого движения от одной МТ к другой. При этом ТВС сжимается до размера самой камеры сгорания. Сильное сжатие обеспечивает более продуктивную работу ВДС.

Такт движения (рабочий ход)

На данном такте осуществляется розжиг воздушно-топливной смеси. Это может быть как путем самовоспламенения (для дизельных двигателей), так и принудительным воспламенением (для бензиновых двигателей). Вследствие возгорания ВТС происходит быстрое образование газов, энергия которых воздействует на поршень, приводя его в движение. КШМ трансформирует поступательные поршневые движения во вращательные вала. Клапаны системы на такте движения, как и на такте сжатия должны быть полностью закрытыми.

Такт выпуска

На последнем такте выпуска происходит открытие всех выпускных клапанов, после чего газораспределительный механизм удаляет отработанные газы из ДВС в выпускную систему, где происходит очистка, охлаждение и снижение уровня шума. В конце происходит полный выброс газов в атмосферу.

После завершения такта выпуска, циклы повторяются, начиная с такта впуска.

КПД двигателей и развиваемая мощность

КПД (коэффициент полезного действия) дизельного двигателя гораздо выше, чем у бензинового. Связано это с наиболее эффективным сгоранием топливовоздушной смеси за счёт повышенной степени сжатия.

Если у бензинового двигателя степень сжатия ровна 10 единиц, то у дизелей этот показатель в два раза больше! То есть 20 единиц. В среднем КПД дизельного двигателя больше на 40% по сравнению с бензиновым, и при всём этом у дизелей расход топлива на 20% меньше.

Но в мощности дизельные автомобили проигрывают бензиновым.

Выхлопные газы

В плане экологии дизельные автомобили так же впереди. Систему выхлопа с каждым годом совершенствуют и доводят до норм Евро-4 и Евро-5. Современные модели стали оснащать сажевым фильтром, который дополнительно очищает выхлопные газы.

Безопасность

За счёт медленного испарения дизельное топливо меньше подвержено возгоранию. Так же стоит отметить, что в дизельных двигателях отсутствует система зажигания, а соответственно и катушки зажигания с высоковольтными проводами.

Эксплуатация двигателя

В теории дизельный двигатель долговечнее бензинового. Связано это с более прочными блоком цилиндров, коленчатым валом, поршней, ГБЦ. Так как при разработке идёт упор на высокую степень сжатия.

Но это всё в теории… На практике очень многое зависит от качества топлива. Дизельные двигатели наиболее прихотливы к его качеству.

В отличие от бензина дизель подразделяется на летние и зимние сорта. На летнем топливе при температуре –15˚С топливо начинает густеть и автомобиль попросту не заведётся. Так же дизельные двигатели дольше прогреваются, почувствовать тепло в салоне вы сможете только спустя около 10 минут. Поэтому если вы проживаете в местах, где преобладают сильные заморозки, то вам лучше выбрать бензиновые автомобили.

Зато дизельные двигатели не боятся воды, так как электричество они используют только для того, чтобы запуститься.

Плюсы бензинового двигателя

Начнем, естественно, с достоинств бензинового мотора, поскольку (если забежать немного наперед) их определенно больше, чем недостатков. По крайней мере, если рассматривать это дело с точки зрения потребителя, то есть, автовладельца. Сразу же отметим, что все плюсы и минусы бензинового мотора здесь будут рассмотрены в контексте его сравнения с дизельными моторами.

Сначала, чтобы охватить всю картину целиком, перечислим все плюсы кратким списком:

  1. Простота конструкции.
  2. Меньший вес.
  3. Ниже стоимость.
  4. Проще и дешевле в обслуживании.
  5. Меньше шумит и вибрирует.
  6. Быстрее прогревается.
  7. Менее требовательный к топливу.
  8. Широкий диапазон высокого крутящего момента.
  9. Лучшая динамика.
  10. Легче запускается в зимнее время года.
  11. Можно интегрировать ГБО.
  12. Богаче выбор модификаций.

Ну а теперь, как и было обещано, остановимся на каждом пункте, дабы подкрепить представленные преимущества аргументами и фактами.

Простота конструкции

Под простотой ни в коем случае не следует понимать меньшее количество деталей и узлов. В этом плане бензиновые двигатели, скорее наоборот, сложнее, чем дизельные. Простота конструкции здесь имеется в виду та, которая относится к упомянутым выше особенностям работы двигателя внутреннего сгорания.

В первую очередь, это касается нагрузок, воздействию которых подвергается силовой агрегат, как бы, изнутри. В частности, перепады давления, присутствующие в дизельном моторе, в бензиновой конструкции не такие критические. Соответственно, детали и узлы могут иметь меньший запас по прочности, то есть, в целом, быть проще.

Кроме того, конструкция дизельных моторов довольно заметно усложняется за счет особенностей подачи топлива в камеры сгорания. В данном случае важна и правильная дозировка, и достаточное давление, и своевременное срабатывание форсунок. За все это отвечает отдельное оборудование, которое называется ТНВД — топливный насос высокого давления. Очень сложное, высокотехнологичное, точное, и крайне дорогое в ремонте. В бензиновых моторах такого нет, что и делает их конструктивно проще.

С другой стороны, если говорить только о современных двигателях, то простотой конструкции особо не пахнет что в бензиновой, что в дизельной технологии. В этом можно легко убедиться, если посмотреть под капот какого-нибудь новенького автомобиля, предварительно сняв все декоративные пластиковые крышки и накладки. Для обычного автолюбителя что бензиновый, что дизельный мотор — покажутся одинаково сложными. Сложность дизельных, и простоту бензиновых двигателей по достоинству могут оценить только специалисты. Но и об этом немного позже.

Меньший вес

Вытекает из описанной выше нетребовательности к запасу прочности. Запас этот, конечно же, есть. Но не такой, как в случае с дизелями. На практике это означает, что для изготовления деталей мотора можно применять более легкие материалы. Собственно, и сами детали можно делать более тонкостенными, а значит, более легкими.

Вся эта катавасия с весом нацелена на улучшение динамики, повышение эффективности, то есть, КПД и других характеристик бензинового двигателя, которые “отстают” по сравнению с дизелями. Именно за счет уменьшения массы конструкторы пытаются компенсировать хотя бы частично те недостатки бензиновых моторов, о которых речь пойдет ниже. И это им с годами удается все лучше и лучше. Современные моторы на бензине намного экономичнее, эффективнее и динамичнее, чем модели двадцати-тридцатилетней давности. Другой вопрос — как это сказывается на общем ресурсе и запасах пробега. Но к этому мы еще вернемся.

Богатый выбор модификаций

В свете всего вышеописанного уже несложно догадаться, почему сложилась такая тенденция. Выбор машин с бензиновыми двигателями существенно обширнее, чем с дизелями. Эта закономерность справедлива как для новых моделей, так и для вторичного рынка. Поддерживают эту тенденцию и сами производители, выпуская на каждые три-пять бензиновых модификаций одну-две с дизельными моторами.

Все это существенно расширяет возможности при покупке машины с ограниченным бюджетом. Так, например, если у вас хватает денег только на какую-либо модель с дизельным мотором, то за эту же сумму вполне можно найти несколько бензиновых альтернатив в более приемлемом состоянии — посвежее годами, менее ржавую, с меньшим пробегом и так далее.

Минусы бензинового двигателя

С плюсами закончили. Переходим к минусам бензинового двигателя:

  1. Большие расходы на топливо.
  2. Склонность к перегреву.
  3. Слабо тянет на низких оборотах (и вообще их “не любит”).
  4. Наличие дополнительных систем.
  5. Меньше ресурс.
  6. Ускоренный износ сцепления.
  7. Повышенная пожароопасность.

А теперь быстренько пройдемся по каждому пункту.

Большие расходы на топливо

Имеются в виду не большИе расходы, а бОльшие. Да, пожалуй, самый большой минус бензинового двигателя, если сравнивать его с аналогичным по годам и объему дизелем, это его расход. Он примерно в полтора-два раза выше. А вот цена за литр топлива, в среднем, равная что для бензина, что для солярки. Отсюда и следует, что на заправку бензинового автомобиля уходит в полтора-два раза больше денег, чем в случае с дизелем такого же объема.

Однако, если помнить о том, что бензиновый мотор всегда можно “перевести на газ”, а дизельный — никогда, то этим минусом можно и вовсе пренебрегать.

Склонность к перегреву

То, что выше было описано, как плюс бензинового двигателя, одновременно является и его минусом. И в самом деле, моторы на бензине очень “не любят” медленной езды по пробкам и бездорожью. На практике нередко встречаются такие случаи, когда с охлаждением бензинового мотора не справляется даже исправная система жидкостного охлаждения. А вот дизелю в этом плане — по барабану. Машину можно надолго оставить без обдува встречным потоком воздуха, и мотор “не закипит”.

Оппозитный боксер — основные принципы работы

В целом процесс функционирования оппозитного боксера схож с работой других двигателей внутреннего сгорания. Главной отличительной особенностью его устройства является расположение цилиндров. Цилиндры в нем установлены горизонтально, в отличие от большинства двигателей. Это устанавливает и иное движений поршней: не вверх и вниз, а справа налево и наоборот (от одного края цилиндра к противоположному).
Первоначальная разработка горизонтального оппозитного боксера не принадлежит компании Subaru, как склонны думать многие. Моторы подобного типа уже использовались ранее на пассажирских автобусах Икарус, а также на мотоциклах (как отечественного «Днепр, МТ», так и иностранного производства «эндуро-турист BMW R1200GS и прочие»). Кроме того, подобные двигатели уже давно используются в военном транспорте, в частности, в отечественных танках.
Естественно, подобное строение двигателя имеет свои плюсы и минусы. Рассмотрим их наиболее подробно.

Преимущества оппозитного боксера


На фотографии оппозитный двигатель Porsche

К главным плюсам двигателя с горизонтально расположенными цилиндрами относят:

  1. Способствует смещению центра тяжести. Масса распределяется около оси, что позволяет значительно улучшить управляемость машины. Для многих этот фактор является решающим при выборе двигателя и автомобиля, особенно это актуально для российских дорог.
  2. Отсутствие вибрации при работе. Двигатели со стандартной структурой и вертикально расположенными цилиндрами в ходе работы вибрируют, передавая волны всей конструкции, что не очень комфортно для водителя.
  3. Долгая работа. Ресурс оппозитного боксера, установленного в Subaru, настолько велик, что позволяет эксплуатировать автомобиль в течение длительного времени (его хватает более чем на миллион километров).

Недостатки оппозитного двигателя


На фотографии оппозитный двигатель Subaru Outback 2015

Несмотря на значительные преимущества, двигатель подобного типа имеет существенные недостатки, от которых разработчики пока не избавились:

  1. Требует дорогостоящего обслуживания. Часто ремонт двигателей обычного строения осуществляют самостоятельно или в автосалонах за небольшую сумму. Однако в случае с оппозитным боксером это невозможно. Его конструкция слишком сложна, поэтому монтаж лучше доверить профессионалам. Причем за подобные услуги придется заплатить приличную сумму денег.
  2. Из первого недостатка вытекает второй — даже при наличии достаточных средств на обслуживание этого типа двигателя, могут возникнуть трудности с поиском квалифицированного специалиста, который сможет произвести качественное обслуживание.
  3. Сложность устройства боксера способствует повышению стоимости на его составные части, что создает дополнительные расходы при ремонте.
  4. Повышенный расход автомобильного масла. Обычный двигатель потребляет не более трехсот грамм масла за период своего функционирования, а оппозитный гораздо больше.

    Таким образом, все недостатки устройства прежде всего заключаются в дороговизне его обслуживания. Это может стать значительным фактором для многих автовладельцев. Однако, как считают представители автомобильных компаний Subaru и Porsche, качество его работы стоит затраченных средств на обслуживание.
    Компания Subaru не собирается менять оппозитные двигатели на стандартные, так как ее представители склонны считать, что это будет большим шагом назад. На уровень продаж автомобилей данной марки дороговизна обслуживания двигателя никак не влияет, так как машины зарекомендовали себя исключительно с положительной стороны.

Типичные проблемы и слабые места двигателя EJ20

При своей весьма легендарной истории 2-литровый оппозитный двигатель Subaru EJ20 имеет довольно противоречивую репутацию. У кого-то этот двигатель ходит более 400 000 км, у кого-то постоянно ломается и является источником больших расходов. Можно смело утверждать, что наиболее живучими являются атмосферные версии, такие как EJ20, поздние EJ201 и EJ202 – относительно простые, с одним распредвалом в ГБЦ, рассчитанные на 92-й бензин. Тем не менее, эти двигатели требовательны к качеству топлива и качеству масла, которое нужно менять каждые 7500 км – так показывает опыт.

Разные мелочи

Датчики японского двигателя очень надежны и обычно сюрпризов не преподносят. Если двигатель Subaru EJ202 внезапно начал глохнуть на холостых или держать высокие холостые обороты, то следует осмотреть и очистить заслонку регулятора холостого хода. Она подклинивает, что вызывает нарушение в регулировке холостого хода.

Если двигатель Subaru EJ202 вообще не заводится, то следует проверить коммутатор системы зажигания или расположенный в баке топливный насос, который выходит из строя при частой езде на остатках запаса топлива. Высоковольтные провода следует менять каждые 50 000 км. Катушки зажигания тут двойные и весьма долговечные.

Рывки при разгоне, увеличенный расход топлива – это признаки неисправности датчика массового расхода топлива двигателя Subaru EJ202.

Вентиляция картера

При малейших проблемах с вентиляцией картерных газов двигатель Subaru EJ202 очень быстро выдавливает сальники коленвала и распредвалов и масло вместе с ними. Также начинают протекать прокладки клапанных крышек, заглушки распредвалов.. Клапан системы ВКГ на двигателе Subaru EJ202 нужно менять, а трубочки прочищать от скопившихся в них сгустков или тоже менять на новые. При рассыхании трубок возникает подсос воздуха, приводящий к неправильному смесеобразованию и снижении мощности двигателя.

Жор масла

Жор масла в литр-полтора от замены до замены при частых отжигах – нормальное явление для двигателя EJ202. Но если расход масла присутствует и при размеренной езде, то почти наверняка либо залегли маслосъемные кольца, либо в двигателе присутствует износ цилиндропоршневой группы. Обычно при пробеге в 200 000 – 250 000 км двигатель EJ202 нуждается в замене всех поршневых колец.

К тому же горизонтальное расположение цилиндров само по себе является предпосылкой для повышенного расхода масла, которое не способно самостоятельно стекать по стенкам цилиндров. И тут важно не упустить момент – двигатель может «съесть» почти все масло, а контрольная лампа загорится лишь тогда, когда в поддоне останется всего 700 грамм смазки.

Стук четвертого цилиндра

Известным конструктивным недостатком двигателей Subaru EJ является слабое охлаждение 4-го цилиндра: поршень перегревается, расширяется и начинает «задирать» свои юбки и стенки цилиндров. Причем обычно изнашиваются именно юбки поршня, а поверхность цилиндров не страдает. При работе на холодную двигатель стучит, а после прогрева замолкает. Многие так и ездят. Если эта проблема прогрессирует, то двигатель начинает стучать постоянно и возникает износ поверхности 4-го, а и иногда еще и 2-го цилиндра. Цилиндры становятся овальными.

Коленвал

Коленвал оппозитного двигателя Subaru EJ зажат между полублоками. Каждый из шатунов соединяется с коленвалом собственной шейкой – как на 4-цилиндровом двигателе. Однако соседние поршни 1 и 2, 3 и 4 на оппозите не движутся в противофазе, а всегда занимают одинаковое положение: синхронно занимают верхние или нижние мертвые точки. Соответственно, первая и вторая пара поршней 4-цилиндрового оппозитного двигателя движутся в противофазе. Оппозитная четверка уравновешена лучше рядной, не нуждается в балансирных валах и в целом развивает более высокий момент на низких оборотах.

Все шейки компактного коленвала оппозитного 4-цилиндрового двигателя очень узкие, следовательно, и нагрузка на них высокая. При нарушении температурного режима двигателя и использовании некачественного масла риск быстрого износа очень велик. Особенно чувствительны к качеству смазки турбомоторы Subaru.

[spoiler title=»Источники»]

  • https://autodromo.ru/articles/dvigatel-vnutrennego-sgoraniya-vidy-princip-deystviya-preimushchestva-i-nedostatki
  • https://zen.yandex.ru/media/autotricks/kakoi-dvigatel-luchshe-benzinovyi-ili-dizelnyi-otvechaet-motorist-so-stajem-5d1ca55c7fbb2000ae39ca69
  • https://rezinatop.com/article-354-plyusi-i-minusi-benzinovogo-dvigatelya-s-podrobnimi-poyasneniyami.html
  • https://fastmb.ru/autoremont/433-oppozitnyy-dvigatel.html
  • https://zen.yandex.ru/media/id/5bc4382ec947d000aa5281b1/problemy-prostogo-oppozitnogo-motora-subaru-20-ej202-5c3ddc8c3c739a00aa486ddd

[/spoiler]